Постоянный электрический ток. (Лекция 6) презентация

Электрический ток и его характеристики

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрический ток и его характеристики

(1)

Ток, не изменяющийся со временем, называется постоянным. Для постоянного тока

(2)

Электрический ток и его характеристики

Электрический ток и его характеристики

(3)

Электрический ток может быть неравномерно распределен по поверхности, через которую он течет.

Более детально электрический ток можно характеризовать с помощью вектора плотности тока. Он численно равен отношению силы тока dI через расположенную перпендикулярно направлению тока площадку dS┴ к величине этой площадки, т. е.

(4)

По направлению вектор плотности тока совпадает с направлением скорости упорядоченного движения положительных зарядов.

(5)

где

проекция

Для того чтобы поддерживать ток неизменным необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом отводить приносимые туда током заряды и переносить их к началу проводника с большим потенциалом, т.е. необходимо создать круговорот зарядов.

Это возможно лишь за счет работы сторонних сил неэлектростатической природы, например, за счет протекания химических процессов в гальванических элементах.

1

2

φ1

φ2

φ1> φ2

(6)

ЭДС, как и потенциал, в СИ измеряется в вольтах.

(8)

ЭДС, действующая в замкнутой цепи

Т.е. ЭДС равна циркуляции вектора напряженности сторонних сил.

(9)

Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд

(10)

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке 1-2 цепи,

(11)

(12)

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Для него

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называется неоднородным.

(13)

Для замкнутой цепи (φ1− φ2) = 0 и поэтому U = ε.

Ом в 1826 г. экспериментально установил закон, который называется законом Ома для однородного участка цепи:

(14)

Зависимость сопротивления от температуры

(16)

(17)

В 1911 г. впервые было обнаружено явление сверхпроводимости.

У многих металлов и сплавов (Al, Pb, Zn, …) при охлаждении ниже критической температуры Тк (характерной для данного проводника) электрическое сопротивление скачком падает до нуля, т.е. металл становится абсолютным проводником.

Тк для металлов составляет 1−20 К.

Сопротивление цилиндрического проводника, в нашем случае, равно

Используя закон Ома для участка цепи:

находим:

— удельная электрическая проводимость.

1 / (Ом · м) = 1 См / м, где 1 См = 1 / Ом - это единица измерения электропроводности в СИ, называемая сименс (См).

(18)

(19)

Рассмотрим цилиндрический проводник длиной l с площадью поперечного сечения S. Умножим обе части равенства (19) на перемещение dl вдоль оси проводника и проинтегрируем получившееся соотношение по длине проводника от 0 до l:

откуда

(20)

где R12 - сопротивление участка цепи 1-2.

Для замкнутой цепи (φ1− φ2) = 0 и поэтому формула (21) запишется в виде:

(22)

Пусть замкнутая цепь состоит из источника электрической энергии с ЭДС и внутренним сопротивлением r, а также внешней цепи потребителя, имеющей сопротивление R.

Согласно (22)

(23)

U = φ1- φ2 = IR = ε - Ir

(24)

Если цепь разомкнуть, то ток в ней прекратится и напряжение на зажимах источника станет равным его ЭДС, т.е. U = ε.

Таким образом, напряжение на внешнем участке цепи будет равно

U = IR = ε R / (R + r)

(25)

2. R→0 (источник тока замкнут накоротко), в этом случае, в соответствии с (23), сила тока максимальна:

Тогда напряжение на полюсах разомкнутого источника тока равно его ЭДС.

А напряжение во внешней цепи равно нулю.

(26)